Исследователи изучают оптоионный эффект для увеличения ионной проводимости энергетических материалов с помощью света

Литий-ионные аккумуляторы, топливные элементы и многие другие устройства зависят от подвижности ионов. На пути ионов возникает большое количество препятствий, что ухудшает работу вышеперечисленных устройств. Исследовательская группа под руководством Дженнифер Л. М. Рупп из Мюнхенского технического университета (TUM) и Гарри Л. Таллера из Массачусетского технологического института (MIT) продемонстрировала, что для увеличения подвижности ионов можно использовать свет.

В настоящее время керамика тестируется в качестве твердого электролита для перемещения ионов кислорода. Один из исследователей, профессор Гарри Л. Таллер из Массачусетского технологического института, сказал, что им удалось обнаружить ухудшение ионной проводимости из-за блокировки ионов на границах зёрен.
 

Свет заставляет ионы двигаться

Таллер и его коллега профессор химии твердотельных электролитов Мюнхенского технического университета Дженнифер Л. М. Рупп продемонстрировали, что свет можно использовать для уменьшения барьеров, с которыми сталкиваются ионы на границах керамических зерен. Многие устройства, которые основаны на ионной проводимости (например, твердооксидные топливные элементы), должны работать при очень высоких температурах, чтобы ионы могли преодолевать барьеры границы зёрен. Однако рабочая температура до 700 С создаёт определённые проблемы. Быстро происходит старение материала, а инфраструктура для поддержания такой высокой температуры обходится довольно дорого.

Ведущий автор статьи и аспирант Томас Дефферриер говорит, что смысл исследования состоял в том, чтобы преодолеть барьеры зёрен, не используя при этом тепла. Они задались вопросом, а можно ли получить такую же ионную проводимость с использованием другого инструмента. Оказалось, что этот инструмент лёгкий и доступный – свет. Интересно, что ранее он никогда не использовался в этих целях.
 

Более высокая эффективность преобразования и хранения энергии

Рупп отметил, что их исследование продемонстрировало существенное увеличение подвижности ионов при освещении керамических материалов для топливных элементов. При проведении тестирования они использовали оксид церия, легированный гадолинием. Он применяется в качестве твердотельного электролита в топливных элементах. Согласно опубликованным данным, освещение позволило увеличить проводимость на границах зёрен в 3,5 раза.

Учёные назвали это оптоионным эффектом. Как сообщается, этот эффект может найти широкое применение в будущем. К примеру, можно улучшить характеристики твердотельных электролитов в литий-ионных аккумуляторах будущего поколения. Это будет способствовать увеличению скорости зарядки или проложит путь к разработке новых электрохимических технологий хранения и преобразования энергии, которые работают при низких температурах и обеспечивают высокую скорость движения ионов.

Результаты опубликованного исследования можно посмотреть здесь.